Cupriavidus necator - Cupriavidus necator

Cupriavidus necator
Cupriavidus necator.jpg
Научная классификация
Домен:
Бактерии
Тип:
Протеобактерии
Учебный класс:
Бетапротеобактерии
Заказ:
Burkholderiales
Семья:
Burkholderiaceae
Род:
Cupriavidus
Разновидность:
С. некатор
Биномиальное имя
Cupriavidus necator
(Дэвис 1969) Ябуучи и другие. 1996
Синонимы

Ralstonia eutropha

Cupriavidus necator это Грамотрицательный почва бактерия класса Бетапротеобактерии.[1]

Таксономия

Cupriavidus necator претерпел ряд изменений в названии. В первой половине 20 века многие микроорганизмы были изолированы из-за их способности использовать водород. Метаболизирует водород хемолитотрофный организмы были сгруппированы в группу Hydrogenomonas.[2] С. некатор первоначально был назван Hydrogenomonas eutrophus потому что он попал под Hydrogenomonas классификации и был «хорошо упитанным и крепким».[3] Некоторые из оригинальных H. eutrophus изолированные культуры были получены Бовеллом и Уайльдом.[4][5] После характеристики морфология клеток, метаболизм и Содержимое GC, то Hydrogenomonas номенклатура была расформирована, так как в нее вошли многие виды микроорганизмов.[2] H. eutrophus затем был переименован Alcaligenes eutropha потому что это был микроорганизм с дегенерированным перитрихозом бичевание.[3][6] Расследование фенотип, липид сочинение, жирная кислота состав и 16S рРНК анализ, A. eutropha был признан принадлежащим к роду Ralstonia и назвал Ralstonia eutropha.[1] При дальнейшем изучении рода Ralstonia было обнаружено, что они включают два фенотипически различных кластера. Новый род Wautersia был создан из одного из этих кластеров, в который входили R. eutropha. В очереди R. eutropha был переименован Wautersia eutropha.[7] Смотря на ДНК-ДНК гибридизация и сравнение фенотипа с Cupriavidus necator, W. eutropha было обнаружено, что это тот же вид, что и описанный ранее С. некатор. Потому что С. некатор был назван в 1987 году задолго до смены названия на R. eutropha и W. eutropha, название С. некатор был назначен на R. eutropha в соответствии с Правилом 23а Международный кодекс номенклатуры бактерий.[8]

Метаболизм

Cupriavidus necator это водородокисляющая бактерия (Бактерия «кноллгас»), способная расти на границе анаэробной и аэробной сред. Он может легко адаптироваться между гетеротрофный и автотрофный образ жизни. И органические соединения, и водород можно использовать в качестве источника энергии.[9] С. некатор может выполнять аэробный или же анаэробное дыхание к денитрификация нитрата и / или нитрита в газообразный азот.[10] При выращивании в автотрофных условиях С. некатор фиксирует углерод через восстановительный пентозофосфатный путь.[11] Известно производство и секвестр полигидроксиалканоат (PHA) пластмасс при воздействии избыточного количества сахарного субстрата. PHA может накапливаться до уровня около 90% от сухой массы клетки.[12] Чтобы лучше охарактеризовать образ жизни С. некатор, то геномы из двух штаммов были последовательный.[9][13]

Гидрогеназы

Cupriavidus necator может использовать водород в качестве источника энергии при выращивании в автотрофных условиях. Он содержит четыре разных гидрогеназы который имеет [Ni-Fe] активные центры и все выполняют такую ​​реакцию:[14][15]

ЧАС2 2H+ + 2e−

Гидрогеназы С. некатор похожи на другие типичные гидрогеназы [Ni-Fe], потому что они состоят из большой и малой субъединиц. Большая субъединица - это место, где находится активный сайт [Ni-Fe], а малая субъединица состоит из [Fe-S] кластеры.[16] Однако гидрогеназы С. некатор отличаются от типичных [Ni-Fe] гидрогеназ, потому что они толерантны к кислороду и не ингибируются CO.[14] В то время как четыре гидрогеназы выполняют одну и ту же реакцию в клетке, каждая гидрогеназа связана с разными клеточными процессами. Различия между регуляторной гидрогеназой, мембраносвязанной гидрогеназой, растворимой гидрогеназой и актинобактериальной гидрогеназой в С. некатор описаны ниже.

Регуляторная гидрогеназа

Первая гидрогеназа - это регуляторная гидрогеназа (RH), которая сигнализирует клетке о наличии водорода. RH - это белок, содержащий большие и малые субъединицы [Ni-Fe] гидрогеназы, прикрепленные к гистидиновая протеинкиназа субъединица.[17] Газообразный водород окисляется в центре [Ni-Fe] в большой субъединице и, в свою очередь, восстанавливает кластеры [Fe-S] в малой субъединице. Неизвестно, переносятся ли электроны из кластеров [Fe-S] в домен протеинкиназы.[14] Гистидиновая протеинкиназа активирует регулятор реакции. Регулятор ответа активен в дефосфорилированной форме. Дефосфорилированный регулятор ответа способствует транскрипции мембраносвязанной гидрогеназы и растворимой гидрогеназы.[18]

Мембраносвязанная гидрогеназа

Мембранно-связанная гидрогеназа (MBH) связана с дыхательная цепь через конкретный цитохром b -связанный белок в С. некатор.[19] Газообразный водород окисляется в активном центре [Ni-Fe] в большой субъединице, и электроны перемещаются через кластеры [Fe-S] в малой субъединице к цитохрому b-подобному белку.[14] MBH расположен на внешней цитоплазматическая мембрана. Он восстанавливает энергию клетки, направляя электроны в дыхательную цепь и увеличивая протонный градиент.[19] MBH в С. некатор не ингибируется CO и толерантен к кислороду.[20]

НАД + -восстанавливающая гидрогеназа

Гидрогеназа, восстанавливающая НАД + (растворимая гидрогеназа, SH), создает НАДН -снижение эквивалентности окислением газообразного водорода. SH - это гетерогексамерный белок[21] с двумя субъединицами, составляющими большую и малую субъединицы [Ni-Fe] гидрогеназы, и двумя другими субъединицами, составляющими модуль редуктазы, подобный одному из Комплекс I.[22] Активный центр [Ni-Fe] окислял газообразный водород, который переносит электроны на FMN-a кофактор, затем к кластерному реле [Fe-S] малой субъединицы гидрогеназы и модулю редуктазы, затем к другому кофактору FMN-b и, наконец, к NAD+.[14] Затем восстановительные эквиваленты используются для фиксации диоксида углерода, когда С. некатор растет автотрофно.

Активный сайт СХ г. С. некатор H16 был тщательно изучен, потому что С. некатор H16 может производиться в больших количествах, может подвергаться генетическим манипуляциям и может быть проанализирован с помощью спектрографический техники. Однако в настоящее время нет кристаллической структуры для С. некатор Растворимая гидрогеназа H16 в присутствии кислорода для определения взаимодействия активного центра с остальным белком.[14]

Типичные анаэробные [Ni-Fe] гидрогеназы

[Ni-Fe] гидрогеназа из Desulfovibrio vulgaris и D. gigas имеют сходные белковые структуры друг с другом и представляют собой типичные [Ni-Fe] гидрогеназы.[14][23][24][25] Большая субъединица содержит активный сайт [Ni-Fe], скрытый глубоко в сердцевине белка, а малая субъединица содержит кластеры [Fe-S]. Атом Ni согласованный к десульфовибрио-гидрогеназе на 4 цистеин лиганды. Два из этих же цистеиновых лигандов также связывают Fe активного сайта [Ni-Fe].[23][24] Атом Fe также содержит три лиганда, один CO и два CN которые завершают активный сайт.[26] Эти дополнительные лиганды могут способствовать реакционной способности или помочь стабилизировать атом Fe в низкоспиновом состоянии окисления +2.[23] Типичные гидрогеназы [NiFe], такие как D. vulgaris и D. gigas отравлены кислородом, потому что атом кислорода прочно связывается с активным центром NiFe.[20]

С. некатор кислородный толерантный SH

SH в С. некатор уникальны для других организмов, потому что они устойчивы к кислороду.[27] Активный центр SH был изучен, чтобы узнать, почему этот белок толерантен к кислороду. Недавнее исследование показало, что толерантность к кислороду, реализованная в SH, основана на непрерывной каталитической детоксикации O2 [ссылка отсутствует]. Гены, кодирующие эту SH, могут быть активированы в условиях гетеротрофного роста с использованием глицерина в среде для выращивания. [28] и это позволяет аэробно производить и очищать один и тот же фермент.[29]

Приложения

Кислородно-толерантные гидрогеназы С. некатор были изучены для различных целей. С. некатор был изучен как привлекательный организм, помогающий поддерживать жизнь в космосе. Он может исправить углекислый газ в качестве источника углерода, используйте мочевина в моче в качестве источника азота и использовать водород в качестве источника энергии для создания плотных культур, которые можно было бы использовать в качестве источника белка.[30][31]

Электролиз воды один из способов создания кислородной атмосферы в космосе и С. некатор был исследован, чтобы рециркулировать водород, произведенный во время этого процесса.[32]

Кислородостойкие гидрогеназы используются для исследования биотоплива. Гидрогеназы из С. некатор использовались для покрытия поверхностей электродов для создания водорода топливные элементы толерантен к кислороду и окиси углерода[20] и разработать производство водорода легкие комплексы.[33] Кроме того, гидрогеназы из С. некатор были использованы для создания датчиков водорода.[34] Генетически модифицированный С. некатор может производить изобутанол из CO
2 которые могут напрямую заменять или смешиваться с бензин. Организм выделяет изобутанол без необходимости уничтожения для его получения.[35]

Промышленное использование

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе генетически модифицировали штамм этого вида. С. некатор (ранее известный как R. eutropha H16) для производства изобутанола из CO2 сырье, использующее электроэнергию, произведенную солнечными батареями. Проект, финансируемый Министерством энергетики США, имеет потенциально высокую плотность энергии. электротопливо которые могли бы использовать существующую инфраструктуру для замены нефти в качестве транспортного топлива.[36]

Рекомендации

  1. ^ а б Ябуучи; и другие. (1995). «Передача двух Burkholderia и Алкалигены виды для Ralstonia ген. ноя: предложение Ralstonia pickettii (Ральстон, Паллерони и Дудоров 1973) гребешок. ноя., Ralstonia solanacearum (Смит 1896) гребень. ноя и Ralstonia eutropha (Дэвис 1969) гребешок. ноя ". Микробиол Иммунол. 39 (11): 897–904. Дои:10.1111 / j.1348-0421.1995.tb03275.x. PMID  8657018.
  2. ^ а б Дэвис, Д .; Дудоров М. и Станир Р. (1969). "Предложение отказаться от рода Hydrogenomonas: Таксономические последствия ". Int J Syst Bacteriol. 19 (4): 375–390. Дои:10.1099/00207713-19-4-375.
  3. ^ а б Bowien, B .; Шлегель, Х. (1981). «Физиология и биохимия аэробных водородокисляющих бактерий». Анну. Rev. Microbiol. 35: 405–452. Дои:10.1146 / annurev.mi.35.100181.002201. PMID  6271040.
  4. ^ Репаске, Р. (1981). "Требования к питанию дляHydrogenomonas eutropha". J. Bacteriol. 83 (2): 418–422. Дои:10.1128 / JB.83.2.418-422.1962. ЧВК  277745. PMID  14491520.
  5. ^ Уайльд, Э. (1962). "Untersuchungen über Wachstum und Speicherstoffsynthese von Hydrogenomonas eutropha". Archiv für Mikrobiologie. 43 (2): 109–137. Дои:10.1007 / bf00406429.
  6. ^ Дэвис, Д .; Станье Р. и Дудоров М. (1970). "Таксономические исследования некоторых грамотрицательных полярно-флагеллированных"Водородные бактерии«и родственные виды». Arch. Микробиол. 70 (1): 1–13. Дои:10.1007 / BF00691056. PMID  4987616.
  7. ^ Vaneechoutte, M .; Kampfer, P .; De Baere, T .; Фалсен, Э. и Фершраген, Г. (2004). "Wautersia ген. nov., новый род, включающий филогенетическую линию, включающую Ralstonia eutropha и родственные виды, а также предложение Ralstonia [Псевдомонады] сизигии(Робертс и др., 1990) гребешок. ноя ". Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии. 54 (Pt 2): 317–327. Дои:10.1099 / ijs.0.02754-0. PMID  15023939.
  8. ^ Vandamme, P .; Coenye, T. (2004). "Таксономия рода Cupriavidus: сказка о потерянном и найденном ". Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии. 54 (6): 2285–2289. Дои:10.1099 / ijs.0.63247-0. PMID  15545472.
  9. ^ а б Pohlmann, A .; Fricke, W .; Reinecke, F .; Кусян, Б .; Liesegang, H .; Cramm, R .; Эйтингер, Т .; Ewering, C .; Potter, M .; Schwartz, E .; Strittmatter, A .; Воб, И .; Gottschalk, G .; Steinbuchel, A .; Фридрих Б. и Боуэн Б. (2006). «Последовательность генома биопластика, производящего Knallgas бактерия Ralstonia eutropha H16 ". Природа Биотехнологии. 24 (10): 1257–1262. Дои:10.1038 / nbt1244. PMID  16964242.
  10. ^ Крамм, Р. (2009). "Геномный взгляд на энергетический метаболизм в Ralstonia eutropha H16 ". J Mol Microbiol Biotechnol. 16 (1–2): 38–52. Дои:10.1159/000142893. PMID  18957861.
  11. ^ Bowien, B .; Кусян, Б. (2002). «Генетика и контроль ассимиляции СО2 у хемоавтотрофов. Ralstonia eutropha". Arch Microbiol. 178 (2): 85–93. Дои:10.1007 / s00203-002-0441-3. PMID  12115053.
  12. ^ Spiekermann, P .; Рем, В .; Kalscheuer, R .; Баумейстер Д. и Штейнбучель А. (1999). «Чувствительный метод окрашивания жизнеспособных колоний с использованием нильского красного для прямого скрининга бактерий, накапливающих полигидроксиалкановую кислоту и другие соединения, накапливающие липиды». Arch Microbiol. 171 (2): 73–80. Дои:10.1007 / s002030050681. PMID  9914303.
  13. ^ Lykidis, A .; Perez-Pantoja, D .; Ledger, T .; Marvomatis, K .; Андерсон, I .; Иванова, Н .; Hooper, S .; Lapidus, A .; Лукас, А .; Гонсалес, Б. и Кирпидес, Н. (2010). Ахмед, Нияз (ред.). "Полная последовательность многочастичного генома Cupriavidus necator JMP134, универсальный деструктор загрязнителей ». PLOS ONE. 5 (3): 1–13. Дои:10.1371 / journal.pone.0009729. ЧВК  2842291. PMID  20339589.
  14. ^ а б c d е ж грамм Burgdorf, T .; Buhrke, T .; van der Linden, E .; Jones, A .; Альбрахт, С. & Фридрих, Б. (2005). "[NiFe] -гидрогеназы Ralstonia eutropha H16: Модульные ферменты для кислородно-толерантного биологического окисления водорода ». J Mol Microbiol Biotechnol. 10 (2–4): 181–196. Дои:10.1159/000091564. PMID  16645314.
  15. ^ Шефер, Каспар; Фридрих, Бербель; Ленц, Оливер (1 сентября 2013 г.). «Новая, нечувствительная к кислороду группа 5 [NiFe] -гидрогеназа у Ralstonia eutropha». Прикладная и экологическая микробиология. 79 (17): 5137–5145. Дои:10.1128 / AEM.01576-13. ЧВК  3753944. PMID  23793632.
  16. ^ Schwartz, E .; Фридрих, Б. (2006). "Прокариоты, метаболизирующие H2". Прокариоты. 2: 496–563. Дои:10.1007/0-387-30742-7_17. ISBN  978-0-387-25492-0.
  17. ^ Lenz, O .; Фридрих, Б. (1998). "Новая многокомпонентная регуляторная система опосредует зондирование H2 в Alcaligenes eutrophus". PNAS. 95 (21): 12474–12479. Дои:10.1073 / пнас.95.21.12474. ЧВК  22855. PMID  9770510.
  18. ^ Фридрих, Б .; Бурке Т. и Бургдорф Т. (2005). "Мультибелковый комплекс, чувствительный к водороду, контролирует аэробный водородный метаболизм в Ralstonia eutropha". Сделки Биохимического Общества. 33 (Pt 1): 97–101. Дои:10.1042 / BST0330097. PMID  15667276.
  19. ^ а б Бернхард, М .; Benelli, B .; Hochkoeppler, A .; Заннони Д. и Фридрих Б. (1997). «Функциональная и структурная роль субъединицы цитохрома b мембраносвязанного гидрогеназного комплекса Alcaligenes eutrophus H16 ". Евро. J. Biochem. 248 (1): 179–186. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1997.00179.x. PMID  9310376.
  20. ^ а б c Винсент, К .; Cracknell, J .; Lenz, O .; Zebger, I .; Фридрих Б. и Армстронг Ф. (2005). «Электрокаталитическое окисление водорода ферментом при высоком уровне оксида углерода или кислорода». PNAS. 102 (47): 16951–16954. Дои:10.1073 / pnas.0504499102. ЧВК  1287975. PMID  16260746.
  21. ^ Schneider, K .; Шлегель, Х. (1976). «Очистка и свойства растворимой гидрогеназы от Alcaligenes eutrophus H 16 дюймов. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Энзимология. 452 (1): 66–80. Дои:10.1016/0005-2744(76)90058-9. PMID  186126.
  22. ^ Tran-Betcke, A .; Warnecke, U .; Bocker, C .; Заборош К. и Фридрих Б. (1990). «Клонирование и нуклеотидные последовательности генов субъединиц НАД-восстанавливающей гидрогеназы Alcaligenes eutrophus H16 ". Журнал бактериологии. 172 (6): 2920–2929. Дои:10.1128 / jb.172.6.2920-2929.1990. ЧВК  209089. PMID  2188945.
  23. ^ а б c Хигучи,.; Яги Т. и Ясуока Н. (1997). «Необычная структура лиганда в активном центре Ni – Fe и дополнительный участок Mg в гидрогеназе выявлены с помощью рентгеноструктурного анализа с высоким разрешением». Структура. 5 (12): 1671–1680. Дои:10.1016 / S0969-2126 (97) 00313-4. PMID  9438867.
  24. ^ а б Volbeda, A .; Garcin, E .; Piras, C .; де Лейси, А .; Фернандес, В .; Хатчикян, Ц .; Фрей М. и Фонтесилла-Кэмпс Дж. (1996). «Структура активного сайта [NiFe] гидрогеназы: данные о биологически необычных лигандах Fe». Варенье. Chem. Soc. 118 (51): 12989–12996. Дои:10.1021 / ja962270g.
  25. ^ Volbeda, A .; Charon, M .; Piras, C .; Хатчикян, Ц .; М. Фрей и Дж. Фонтечилла-Кэмпс (1995). «Кристаллическая структура никель-железной гидрогеназы из Desulfovibrio gigas". Природа. 373 (6515): 580–587. Дои:10.1038 / 373580a0. PMID  7854413.
  26. ^ Happe, R .; Roseboom, W .; Пиерик А. и Альбрахт С. (1997). «Биологическая активация водорода». Природа. 385 (6612): 126. Дои:10.1038 / 385126a0. PMID  8990114.
  27. ^ Schneider, K .; Cammack, R .; Шлегель, Г. и Холл, Д. (1979). «Железо-серные центры растворимой гидрогеназы из Alcaligenes eutrophus". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка. 578 (2): 445–461. Дои:10.1016/0005-2795(79)90175-2. PMID  226163.
  28. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Чен, Чжилян; Пинг, Даррен Тан Тек; Лебхар, Элен; Уэлч, Джеффри; Маркиз, Кристофер П. (2015-03-25). «Анализ изменений растворимой гидрогеназы и глобальной экспрессии генов в Cupriavidus necator (Ralstonia eutropha) H16, выращенном в гетеротрофной диауксической периодической культуре». Фабрики микробных клеток. 14 (1): 42. Дои:10.1186 / s12934-015-0226-4. ISSN  1475-2859. ЧВК  4377017. PMID  25880663.
  29. ^ Югдер, Бат-Эрдене; Лебхар, Элен; Агей-Зинсу, Кондо-Франсуа; Маркиз, Кристофер П. (2016). «Производство и очистка растворимой гидрогеназы из Ralstonia eutropha H16 для потенциальных применений водородных топливных элементов». МетодыX. 3: 242–250. Дои:10.1016 / j.mex.2016.03.005. ISSN  2215-0161. ЧВК  4816682. PMID  27077052.
  30. ^ Репаск, Р .; Майер Р. (1976). «Плотные автотрофные культуры Alcaligenes eutrophus". Прикладная и экологическая микробиология. 32 (4): 592–597. Дои:10.1128 / AEM.32.4.592-597.1976. ЧВК  170312. PMID  10840.
  31. ^ Ammann, E .; Рид, Л. (1967). «Метаболизм азотистых соединений при помощи Hydrogenomonas eutropha». Биохим. Биофиз. Acta. 141 (1): 135–143. Дои:10.1016/0304-4165(67)90252-8. PMID  4963807.
  32. ^ Foster, J .; Литчфилд, Дж. (1964). «Аппарат непрерывного культивирования для микробного использования водорода, полученного путем электролиза воды в космических системах с замкнутым циклом». Биотехнологии и биоинженерия. 6 (4): 441–456. Дои:10.1002 / бит. 260060406.
  33. ^ Ихара, М .; Mishihara, H .; Юн, К .; Lenz, O .; Фридрих, Б .; Накамото, H .; Кодзима, К .; Honoma, D .; Камачи Т. и Окура И. (2006). «Производство водорода под действием света гибридным комплексом [NiFe] -гидрогеназы и цианобактериальной фотосистемы I». Фотохимия и фотобиология. 82 (3): 676–682. Дои:10.1562 / 2006-01-16-RA-778. PMID  16542111.
  34. ^ Lutz, B .; Fan, H .; Бургдорф, Т. и Фридрих, Б. (2005). "Зондирование водорода с помощью ферментативно-катализируемого электрохимического обнаружения". Анальный. Chem. 77 (15): 4969–4975. Дои:10.1021 / ac050313i. PMID  16053311.
  35. ^ «Учим микроба делать топливо - MIT News Office». Web.mit.edu. Получено 2012-08-22.
  36. ^ Li, H .; Opgenorth, P.H .; Wernick, D.G .; Роджерс, С .; Wu, T.-Y .; Higashide, W .; Malati, P .; Хо, Y.-X .; Чо, К. М .; Ляо, Дж. К. (2012). «Интегрированное электромикробное преобразование CO2 в высшие спирты». Наука. 335 (6076): 1596. Дои:10.1126 / наука.1217643. PMID  22461604.

внешняя ссылка